Чому для титанового нагрівача, що нагріває киплячий розчин цукру, максимальний тепловий потік обмежений точкою вигорання, а не швидкістю корозії?

Для інженера-технолога, який використовує титановий занурювальний нагрівач у киплячому розчині цукру (сахарози або глюкозного сиропу), найбільший тепловий потік, якого можна досягти, обмежується точкою вигорання (критичний тепловий потік, CHF), а не швидкістю корозії титану. Цукрові розчини дуже в’язкі, мають високий поверхневий натяг і схильні карамелізуватися при вищих температурах. CHF для титанового нагрівача в киплячому цукровому розчині (40-60 градусів Брикса) зазвичай на 30-50% нижчий, ніж у воді - приблизно 6-10 Вт/см2 порівняно з 12-15 Вт/см2 для води. Вище цього CHF відбувається плівкове кипіння і на поверхні нагрівача утворюється стійкий шар пари. Паровий шар ізолює нагрівач, а температура поверхні швидко підвищується (до 200-300 градусів) і карамелізується, обвуглюється і вигорає. Швидкість корозії титану в розчинах цукру дуже низька (< 0.01 mm/year) even at high temperature. This is because sugar solutions are neutral (pH 5-7) and non-corrosive. The limiting factor is thermal, not chemical.

Як розчини цукру вигоряють
Критичний тепловий потік (CHF) — це максимальний тепловий потік, при якому відбувається перехід від ядерного кипіння до плівкового. При ядерному кипінні бульбашки зароджуються на плямах, відокремлюються та піднімаються. Відшарування бульбашок пригнічується високою в'язкістю (10-100× вода) і поверхневим натягом (1,2-1,5× вода) розчинів цукру. Бульбашки більші й довше залишаються на поверхні, сприяючи ранньому зливанню в парову плівку. Плівка пари стабілізується, а температура поверхні підвищується при меншому тепловому потокі, ніж у воді. Висока температура викликає карамелізацію цукру (понад 160 градусів), утворюючи міцне ізолююче вуглецеве покриття. Осад додатково ізолює поверхню, підвищуючи температуру до > 300 градусів, де титан окислюється і нагрівач згорає. Швидкість корозії титану в цукрових розчинах (pH 5-7, 100-120 градусів) становить менше 0,01 мм/рік, а стінка товщиною 1,5 мм прослужить понад 150 років лише від корозії.

Вимірювання ризику ЗСН і вигоряння в цукрових розчинах порівняно з водою
Концентрація рідини (Брікс) В’язкість при 100ºC (cP) CHF (Вт/см2) Smooth Ti CHF (Вт/см2) Межа вигоряння Рекомендований Макс. Робочий потік (Вт/см2)
Вода 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Розчин цукру 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Карамелізація 4-6
Цукровий розчин 60 80 4-6 6-8 Карамелізація 3-4
Цукровий розчин 70 (концентрований) 200 2-3 3-4 Карамелізація 1,5-2 Карамелізований осад (після вигорання) Н/Д/Д < 1 Н/Д Депозит Н/Д
Нагрівання розчину цукру: Посібник на основі сценарію
Концентрація розчину цукру, градус Brix. Робоча температура (C) Пропонований максимальний тепловий потік (Вт/см2) Очікувана швидкість корозії титану (мм/рік) Обмежувальний фактор
20 100 6-8 < 0,005 CHF (вигорання-)
40 105 4-6 < 0,005 Карамелізація 50 110 3-4 < 0,005 Карамелізація 60 115 2-3 < 0,005 Карамелізація 70 120 1.5-2 < 0,005 В'язкість (потрібна текучість)
розвести цукор (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Будь-яка концентрація примусової циркуляції Будь-які 2× вище значень < 0,005 Потік підвищує CHF
Інженерні засоби пом'якшення для покращення CHF у цукрових розчинах
Three mitigations increasing CHF for heating of sugar solution when higher heat flow is necessary. The first mitigation is through forced circulation (pumping) over the heater surface. An increase in flow velocity from 0.5 to 1.0 m/s increases CHF by 50 to 100%. It sweeps away bubbles before they cluster. In a 40° Brix sugar solution forced circulation enhances CHF from 6 W/cm² to 10-12 W/cm². The second mitigation is the roughened heating surface. The density of nucleation sites is increased by sandblasting or milling the grooves, which promotes bubble separation and retards film boiling. The roughened titanium surface (Ra 2–3 µm) is used for enhanced CHF in sugar solutions (20–30 %). The third mitigation is a polished surface (Ra < 0.2 µm) for sugar at high concentration (>60 градусів Брикса). Гладка поверхня зменшує прилипання карамелізованих відкладень, що дозволяє нагрівачу працювати з більшим тепловим потоком, перш ніж осадження відкладень призведе до перегріву.

Висновок: вигорання (CHF) обмежує тепловий потік, а не швидкість корозії в цукрових розчинах
Максимальний тепловий потік для титанового нагрівача при нагріванні киплячого розчину цукру обмежений температурою вигоряння (критичним тепловим потоком), а не швидкістю корозії титану. Цукрові розчини не -роз’їдають титан (рН 5-7, швидкість корозії < 0,01 мм/рік) і можуть мати термін служби понад 100 років лише через корозію. Однак висока в’язкість і поверхневий натяг цукрових розчинів знижує CHF до 4-10 Вт/см² (залежно від концентрації) проти 12-15 Вт/см² для води. Робота вище CHF призводить до кипіння плівки, підвищення температури поверхні до 200-300 градусів, карамелізації, обвуглювання та вигорання. Для розчинів цукру з температурою 40-60 градусів за Бриксом максимальний тепловий потік, рекомендований для кипіння в атмосфері, становить 3-6 Вт/см^2. Коли необхідний підвищений тепловий потік, шорсткі або поліровані поверхні можуть підвищити CHF на 20-100% за допомогою примусової циркуляції. Наприклад, при використанні титанового нагрівача в обслуговуванні розчину цукру постачальник повинен знати концентрацію розчину, передбачувані умови потоку та щільність потужності, необхідні для прогнозування CHF і вибору обробки поверхні для запобігання вигоранню.